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摘要：大临铁路中村隧道出口为单线变三线特大跨单洞隧道，设计采用CRD法施工。文章介绍了CRD法施工工艺，针对全风化花岗岩地层特点，优化原设计CRD法施工工艺。对铁路特大跨度隧道设计施工有借鉴意义。
关键词：铁路 特大跨度隧道 CRD法 施工技术
1 引言
随着我国铁路建设不断发展，隧道工程数量急剧增加，在一些客货共线、货运专线等单线铁路，考虑会车需要，每隔一定距离设置会让站，在山岭地区，受地形条件限制，车站段多设置在隧道内，采用单洞双线、单洞三线形式，最大开挖宽度超过20m，属特大跨度隧道。目前，对大断面隧道施工采用的施工方法主要有双侧壁导坑法、CRD法和CD法、环形开挖预留核心土法等方法。CRD工法多用于大断面软弱围岩、碎石土、卵石土、黄土、软塑状黏性土、粉细砂围岩及偏压、浅埋或隧道洞口段施工。中村隧道出口地层条件为全风化、强风化黑云花岗岩，原设计CRD工法对该地层施工存在一定局限性，安全风险高、施工效率低。本文介绍了中村隧道采用CRD法施工工艺及针对全风化花岗岩地层的优化措施，对同类隧道施工有借鉴意义。
2 工程概况
2.1设计概况
大临线位于云南省西南部地区，线路全长202.095km，设计时速160km/h。中村隧道起讫里程为DK134+741～DK137+845，全长3104m，为单线隧道；隧道出口DK137+612～DK137+845段设车站段衬砌，长233m，采用CRD法施工，其中车站C段长48m，车站D段长185m，洞口段衬砌予以抗震设防；车站段最大开挖宽度21.33m，最大高度13.08m。隧道洞身拱顶以上最大埋深约198m，最小埋深约12m。
2.2地质、水文概况
隧道车站段处于云县东侧边缘，罗闸河北岸，属地中山侵蚀、剥蚀地貌，地形起伏较大，冲沟较发育。隧道上覆第四系全新统冲洪积（Q4al+pl）粉质粘土、砾砂、坡残积（Q4de+el）粉质粘土，下伏基岩为印支期（γ51）中粒斑状黑云二长花岗岩，黑云花岗岩，花岗闪长岩，风化程度高，全风化带（W4）一般厚10～40m，岩体多保留残余块状结构，但轻碾及呈砂土状属Ⅲ级硬土，C组填料；强风化带（W3）一般厚10～20m，属Ⅳ级软石，B组填料；弱风化带（W2）属Ⅴ级次坚石，A组填料。车站段主要穿越地层为全风化、强风化黑云花岗岩，所有特大跨断面全部位于洞口Ⅴ级围岩地段，浅埋、偏压，风化层较厚，力学指标较低。地下水不发育。
图1 中村隧道出口开挖揭示围岩-1
图3 CRD法设计断面分部示意（单位：cm）
图4 CRD法施工工序纵断面示意
3.1.1开挖及初期支护施工
第一步：在上一循环超前支护防护下，弱爆破开挖①部；初喷4cm厚混凝土，铺设钢筋网，支立型钢钢架和I18临时钢架，设锁脚锚管；钻设系统径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。
第二步：在滞后于①部一段距离后，弱爆破开挖②部；初喷4cm厚混凝土，铺设钢筋网，接长型钢钢架和I18临时钢架，设锁脚锚管；钻设系统径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。
第三步：在滞后于②部一段距离后，弱爆破开挖③部并施做周边初期支护和临时支护，步骤和工序同①部。
第四步：在滞后于③部一段距离后，弱爆破开挖④部并施作导坑周边的初期支护，步骤及工序②部。
3.1.2仰拱及衬砌施工
（1）根据监控量测结果分析，待初期支护变形稳定后，拆除侧壁临时钢架下半部分，灌注Ⅴ部边墙基础与仰拱。
（2）待仰拱混凝土初凝后，灌注仰拱填充Ⅵ部至设计高度。
（3）根据监控量测结果，确定二次衬砌施作时机，拆除临时钢架及横撑，铺设防水板，利用衬砌模板台车一次性灌注Ⅶ部（拱墙）衬砌。
3.2原设计施工工艺存在的问题
按照原设计施工，主要存在以下问题：
（1）临时竖撑顶部与初期支护型钢钢架连接位置不合理，临时竖撑顶端一节初期支护型钢钢架安装前，需人工掏槽开挖，施工难度大，工效低。
（2）①部和③部断面偏大，断面最大高度9m，临空面大，不利于掌子面稳定。②部和④部高度偏小，不利于大型机械施工，大型机械施工中易碰撞造成临时仰拱变形，影响初期支护结构受力。
（3）①部和③部设计台阶长度≤5m，且开挖后施做临时仰拱，无法满足大型作业台架、机械施工需要，施工效率低，打孔、支立拱架、安装锚杆等工序操作难度大。
（4）①部和③部临时仰拱影响影响上部出碴、喷射混凝土等作业材料运输。
（5）施工仰拱前，仅拆除侧壁临时钢架下半部分，造成临时支撑悬空，存在较大安全隐患。
4 对原设计CRD法的局部优化措施
施工过程中，以监控量测为主要依据，在保证安全质量的前提下，对原设计CRD法进行了局部优化。
4.1临时支撑结构优化
（1）调整临时竖撑顶部与初期支护型钢钢架连接位置，调整临时竖撑曲率，提高临时支撑竖向承载力。方便临时竖撑顶端初期支护型钢安装，提高施工效率。
（2）临时弧形仰拱改为I20b水平支撑，纵向采用I14型钢连接，增强水平支撑整体受力，取消临时仰拱喷射混凝土。
4.2断面分部优化
（1）调整①部、③部临时支撑高度，临时仰拱距离拱顶开挖面≤6m，减小掌子面临空面，提高掌子面围岩自稳性。同时增大②部和④部作业空间，方便大型机械施工。
（2）将原设计CRD法4步开挖调整为8部开挖。①部、②部、③部、④部均采用微台阶开挖，见图5所示。
4.3临时支撑拆除顺序优化
为避免仰拱施工时，中隔墙上部长时间悬空，仰拱施工前仅破除中隔墙下部喷射混凝土，仰拱及仰拱填充混凝土浇筑后，二衬施工前拆除仰拱填充面以上中隔壁和水平支撑。临时支撑一次拆除长度不超过3m，待满足一个衬砌长度后立即施做二次衬砌。
4.4施工工序步距优化
（1）开挖顺序：为了加快施工进度，减少工序之间的相互干扰，同时减小临空面，保证掌子面稳定，各部按照图6所示，①部、②部、③部、④部均采用微台阶法开挖，①部分为①-1和①-2上下台阶同步开挖，其他各部开挖采用同样方法。为了减少相邻作业面爆破影响，左右相邻作业面错开15m距离。
（2）台阶长度：调整台阶长度，将原设计①部、③部导坑台阶长度由5m调整到8～10m，满足1台小型挖机扒渣作业；各部微台阶台阶长度控制2m。
（3）临时支撑施做：临时竖撑在掌子面开挖后与初期支护一并施做，下部开挖后及时接长，保证竖向受力稳定；临时横撑在滞后①部、③部掌子面8～10m，②部、④部开挖之前施做，避免上部机械施工破坏临时横撑结构。
（4）仰拱初期支护随②-2、④-2初期支护同时施做，及时封闭成环，仰拱初期支护端头距离掌子面控制在30m。二次衬砌距离仰拱端头18m，不超过27m。优化后的施工工序详见图5、图6。
图5 优化后CRD法断面分部示意
图6 优化后CRD法施工工序纵断面示意
Fig.6 The profile of CRD construction procedure after optimization
5 主要施工技术
5.1开挖支护
隧道按照优化后CRD法组织施工，采用弱爆破、机械开挖为主，人工辅助的开挖方法。①部、③部导坑各配置1台PC60型的小型挖机，用于机械开挖和出碴作业，①部、③部导坑洞碴用挖机通过临时支撑倒运至下部导坑，与下部导坑洞碴一并运出。施工中严格按照优化后的台阶长度和步距控制，各部每循环进尺控制在1m以内。
初期支护体系按照新奥法原理采用整体性较强、刚度大的喷锚型钢钢架支护结构，中隔壁采用I20b型钢临时支撑（见图2）。
施工中坚持“管超前、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、及时衬砌”的原则，加强超前地质预报和监控量测工作，为及时调整施工方法和修正初支参数提供依据。
5.2仰拱施工
仰拱初期支护紧随②部、④部导坑施做，初支封闭成环3m后及时浇筑仰拱及仰拱填充混凝土。因中隔壁型钢下半部分钢架埋于仰拱及填充内，填充混凝土施工时，在填充顶面中隔壁左右各1m范围内铺设钢筋网片，防止反射裂缝。
5.3衬砌施工
本隧道出口段为三线车站段衬砌，存在三种不同的断面形式，衬砌施工重点解决衬砌模板方案，其余施工方法按照常规施工方案实施。
5.3.1衬砌台车
三线车站段衬砌台车设计时，综合隧道三线断面逐渐过渡至单线断面需多种断面形式的特点，主门架由单线和双线门架组成，根据断面变化，增加调节块，以满足三线断面衬砌台车需要。三线段落台车面板单独设计，以最小断面设计面板1套，通过增加调节块，满足其他断面需要，调节块在满足断面需要的情况下尽可能选用大块模板，提高模板整体刚度。此方法特点：三线衬砌台车门架由两部分组成，一部分后期可直接用于单线衬砌台车，另一部分可用于改装其他双线隧道，增加门架材料利用率；通过调节主门架、支撑结构和面板调节块即能实现断面相互变化，洞内改装方便，拆装工程量小；门架、支撑体系、面板及调节块尽可能选用大块模板，最大程度避免模板变形，提高周转次数。衬砌台车结构图见图7、图8。
图7 车站C段衬砌台车结构
图8 车站D段衬砌台车结构
车站C段不同断面之间通过更换顶部支撑架、顶部面板和部分丝杆实现转换；车站D段衬砌台车在车站C段台车基础上，增加单线门架、调节块，更换部分丝杠和面板；车站D段不同断面之间通过更换加高块、加宽块、加宽面板、更换部分丝杠实现转换。
5.3.1衬砌混凝土浇筑
衬砌混凝土连续灌注，采用两台输送泵分左、右幅同时分层灌注，左、右侧混凝土面高差不大于50cm，混凝土浇筑过程中，对衬砌台车进行变形监测和控制，确保其变形量小于3cm。混凝土养护采用水雾养护，以混凝土强度达到8MPa控制脱模时间。
6 监控量测
6.1监测断面和监测频率
将监控量测纳入工序管理，成立专门的量测小组，按照测量规范对初期支护后的拱顶下沉、周边收敛进行变形监测，用监控量测数据指导施工。洞内每5m布设一个监测断面，每个断面布设拱顶下沉点2个，水平收敛测线4条，监测点布置见图9。采用无尺测量，利用全站仪采集三维坐标，利用计算机软件计算并分析数据，绘制量测沉降（收敛）-时间曲线。位移速度≥5mm/d时，监测频率按2次/d控制；位移速度1～5mm/d时，监测频率按1次/d控制；位移速度0.5～1mm/d时，监测频率按1次/2d控制；位移速度0.2～0.5mm/d时，监测频率按1次/3d控制；位移速度＜0.2mm/d时，监测频率按1次/7d控制。
从表5可以看出，①部水平收敛受各部开挖影响较大。①部、②部导坑开挖后①部水平方向呈收敛趋势，③部开挖后，①部水平方向呈扩张状态，④部开挖后，水平方向扩张趋势明显减小。
7 结语
浅埋偏压隧道施工技术在国内比较成熟，但如此大跨度浅埋偏压隧道施工并不多见，总结中村隧道出口车站段特大跨度隧道CRD施工实践，有以下几方面体会：
（1）通过对开挖断面优化，“化整为零”，将CRD各导坑分为若干个小断面开挖，严格遵守“短进尺、强支护”的原则，采用弱爆破，减少对围岩的扰动，使围岩尽早趋于稳定。
（2）通过优化临时支撑结构和台阶长度，满足了机械配合施工的需要，加快了施工进度，最高月进尺达到35m，平均月进尺30m。因此在断面高度的选择和台阶长度的设计上，与机械设备的匹配是至关重要的。
（3）在大断面隧道施工中，及早形成初期支护衬砌封闭成环是必要的。中村隧道出口通过优化各部开挖步距，实现了掌子面至仰拱端头30m，掌子面距二衬端头57m的步距控制，保证了施工安全，取得了较好的效果。
（4）根据监控信息反馈，及时掌握各部位支护变化情况，及时调整开挖方法和初期支护参数，是保证隧道顺利施工的重要依据。
随着铁路建设全面提速，大跨度、特大跨度隧道数量逐渐增多，针对不同地质条件下，大跨度、特大跨度隧道施工技术仍有很大的提升空间，复杂地质条件下大跨度、特大跨度隧道施工也将是隧道施工技术研究的重要内容之一。
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论文作者:1全斐,2高振斌,3程武,4刘继然
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年5期
论文发表时间:2019/7/4
标签：断面论文; 隧道论文; 导坑论文; 钢架论文; 混凝土论文; 初期论文; 台车论文; 《建筑学研究前沿》2019年5期论文;